Prikupljanje energije uglavnom se smatra načinom napajanja za napajanje elektroničkih uređaja koji se trebaju dodati u napajanje ili osim baterije. U mnogim slučajevima, aplikacije koje koriste prikupljanje energije često nemaju dovoljno prostora za smještaj velikih količina. Tipični primjeri uključuju nosive tehnologije kao što su uređaji za fitness i uređaji za praćenje zdravlja, kao i bežični senzorski čvorovi kao što su aplikacije za praćenje stanja okoliša ili strukture.
Obično se energija prikupljena iz izvora energije u okolišu, kao što su sunčeva energija, vibracije ili temperaturne razlike, mora učinkovito iskoristiti nakon prijelaza, pojačanja i privremenog skladištenja. Danas se sve više povećava broj tvrtki koje su pokrenule aplikacije za prikupljanje energije i integrirani krugovi za upravljanje napajanjem. Ali pritisak je suočen, kako bi se osiguralo da su ti uređaji visoko integrirani kako bi se olakšao višenamjenski rad, a veličina bi trebala biti što manja. Nema sumnje da je potrošnja energije same opreme vrlo niska.
Ovaj članak će ocrtati potrebe za minijaturizacijom tržišta elektroničke opreme koja se brzo nosi i s njima povezanih aplikacija, a nedavno će se raspravljati i o pojačanom punjaču BQ25570 s integriranim pretvaračima za smanjenje vrijednosti i nizu sličnih alternativa i komplementarnih komponenti. Ovaj članak će se odnositi na korisnički vodič za TI, objasniti kako učinkovito koristiti uređaj za ultracen niske snage, prostora / ograničenja težine.
Više značajki Danas je sve više nosivih uređaja koji prate plan fitnessa za praćenje zdravstvenog stanja i pružanje zdravstvenih uvjeta te pružanje medicinskih usluga. Kao i većina prijenosnih uređaja, ovaj trend će promicati povećanje funkcija opreme koje potrošači očekuju. Ako je GPS uređaj integriran u mjerač otkucaja srca, prati broj prstena za snimanje ili rutu trčanja, monitor otkucaja srca će biti preferiraniji. Trenutno, moderna nosiva oprema za praćenje zdravlja može pratiti krvni tlak, tjelesnu temperaturu, sadržaj kisika u krvi, broj otkucaja srca i aktivnost.
Slika 1: Prikupljanje energije bit će ključne tehnologije u mnogim aplikacijama nosivih elektroničkih uređaja.
Lijevo: Sensorijine pametne čarape, opremljene senzorima pritiska, mogu komunicirati s prstenovima za stopala putem Bluetootha kako bi pomogli u prepoznavanju i poboljšanju položaja trčanja (peta / stopalo). Drugi senzori mogu pratiti zapise, brzinu, kalorije potrošnje, visine i udaljenosti.
Desno: Istraživanje i razvoj Instituta Fraunhofer Nosiva pomoćna oprema za stariju skupinu može pružiti niz programabilnih usluga kao što su uzimanje podsjetnika o drogama, praćenje zdravlja i pozivi hitnoj pomoći.
Bežična veza olakšava prijenos i pohranu prikupljenih podataka za kasniju analizu. Bežične senzorske mreže kao dio Interneta stvari su bitne u aplikacijama kao što su inteligentne zgrade i nadzor okoliša, a podaci s mnogih senzora u tim aplikacijama moraju se prikupljati. Zbog toga su integrirani senzori, radiofrekvencijski krugovi i precizniji mikrokontroleri sve više u pametnom satu, biometrijskom monitoru, proizvodima s ID oznakama, senzorskim čvorovima i drugim nosivim ili udaljenim aplikacijama.
Međutim, takve višenamjenske uređaje treba dati prednost, osim razumnog trajanja baterije, ona također zahtijeva malu težinu, malu veličinu i udobnost. Dizajneri su koristili tehnike prikupljanja energije kako bi učinkovito iskoristili energiju okoliša kao što su toplina tijela ili koraci, tako da se baterija nastavlja puniti. U određenim uređajima (kao što su implantirani uređaji) prikupljena energija je jedini izvor energije.
Stoga se prikupljanje energije može promatrati kao prostorno praktična tehnologija koja se može koristiti kao alternativa bateriji, a može postići manji volumen punjive baterije. Za svaki uređaj koji se napaja baterijom ili energijom, upravljanje napajanjem je vrlo važno. Da bi se osigurale optimalne performanse i visoka učinkovitost operacija velikom potrošnjom energije, obično nepravilnim napajanjem, potrebna je određena točnost i preciznost. Brojni proizvođači IC-a ciljali su ovo tržište, uključujući Advanced Linear Devices, Cymbet, Linear Technology, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics i Texas Instruments.
U usporedbi sa starom generacijom napajanja, nova generacija napajanja je veća, volumen je manji, a potrošnja energije manja. U teoriji, uređaj će dobiti dobivenu energiju, a zatim pretvorbu i/ili pojačanje, te je na kraju opskrbiti izravno sustavu ili uređaju za pohranu energije koji se može puniti. Neki dizajni mogu biti posvećeni vrsti uređaja za pohranu energije kao što je superkondenzator ili litij-ionski gumb. Postoje i drugi dizajni koji podržavaju više uređaja za pohranu energije. Slično, neki dizajni mogu biti posvećeni obliku prikupljanja energije, a postoje i drugi dizajni koji podržavaju više oblika energije.
Treba obratiti pažnju na napon pokretanja potreban za različite aplikacije. Neke aplikacije se pokreću na 20 mV, ali funkcionalnost može biti ograničena, a potrebne su dodatne komplementarne komponente kako bi se osiguralo dovoljno upravljanje napajanjem. Komponente s višom integracijom mogu imati manju veličinu, a ukupna statička struja je niža, ali može biti potreban veći startni napon kako bi bio više ovisan o najnižoj razini energije pohrane. Neki su uređaji vrlo ciljani, posvećeni senzorskim čvorovima ultra male snage. Drugi uređaji podržavat će više razine ulaznog napona kako bi zadovoljili zahtjeve temeljene na opremi mikrokontrolera, ali za aplikacije za prikupljanje energije, sami su mikro uređaji vrlo niski.
Važno je da IC za upravljanje napajanjem mora biti dovoljno fleksibilan za rukovanje isprekidanom snagom i prikupljenom energijom (često nestabilno i često skupljajući količinu). To se mora uzeti u obzir pri projektiranju sustava, odnosno dovoljnog kapaciteta skladištenja energije, moguće je osigurati konstantnu struju kada je to potrebno. To u velikoj mjeri ovisi o frekvenciji čitanja senzora, količini prijenosa podataka i frekvenciji prijenosa.
Visoka integracija Texas INSTRUMENTS nudi niz mikro uređaja ultra male snage za aplikacije za prikupljanje energije, uključujući IC-ove za upravljanje napajanjem, bežične veze i mikrokontrolere. Najnoviji BQ25570 tvrtke je visoko integrirano prikupljanje energije femto rješenja za upravljanje napajanjem. Udovoljava svim standardima s tehnikama prikupljanja energije i svim standardima za primjene s ograničenom snagom.
Uređaj je kompaktan, koristi QFN paket od 3.5 x 3.5 mm od 20 izvoda, statička struja ultra male snage je 488 NA (tipična vrijednost), a način transporta je. 1881.5 NA. Osim toga, tu je i evaluacijski modul BQ25570EVM. Za detaljne informacije o proizvodima i primjeni, molimo pogledajte specifikaciju opreme i korisnički priručnik 2.
Uređaj još uvijek zahtijeva vanjski kondenzator i otpornik, ali zbog visoke integracije može minimizirati potrebu za dodatnom opremom. Aparat je idealan za bežične senzorske mreže s oštrim zahtjevima za napajanje i rad, implementirajući visokoenergetsku modulaciju pulsne frekvencije (PFM) za pojačavanje punjača i rješenja femto power buck pretvarača. Vidi sliku 2 u nastavku: Aparat se može koristiti u kombinaciji s raznim visokoimpedancijskim energijama, uključujući fotonaponske (solarne), termoelektrične generatore (TEG), te AC/DC ispravljače i piezoelektrične generatore. Iz stanja hladnog pokretanja, minimalni napon DC/DC pretvornika/punjača uređaja je 330 mV. Njegova se hipoteza temelji na: ulazno napajanje osigurava najmanje 5 μW (tipično), a izlazni pretvarač opterećenja je manji od 1 μA struje propuštanja (uključujući struju propuštanja elementa za pohranu). Međutim, izlazni napon pojačanog pretvarača nakon rada doseže 1.8 V, a napon od 100 MV potreban za uređaj može se dobiti iz izvora prikupljanja energije.
Pretvarač za pojačavanje najprije se dobiva iz izlaza pojačanog pretvarača kako bi se dobila ulazna snaga, a zatim izvodi proces snižavanja i na kraju daje napon za podešavanje za izlazni pin. Pretvarač koristi PFM kontrolu za podešavanje napona kako bi ga omogućio blizu vrijednosti koju je postavio korisnički programabilni djelitelj napona otpornika. Struja kroz induktor kontrolira se unutarnjim strujnim krugom za detekciju. Od trenutka isporuke, vrijeme je oko 100 ms, iz stanja pripravnosti počinje brže, ali to ovisi o veličini izlaznog kondenzatora.
BQ25570 se može koristiti s raznim uređajima za pohranu, uključujući kondenzatore, superkondenzatore, litij-ionske baterije i druge kemijske baterije. Kada je sustav u režimu niske snage ili u stanju mirovanja, kolektor će osigurati dovoljno električne energije za punjenje elementa za pohranu. Kada kolektor energije ne radi, baterija ili kondenzator moraju imati dovoljnu snagu za napajanje cjelokupnog opterećenja sustava. Za filtriranje impulsne struje PFM preklopnog punjača potreban je ekvivalentni kondenzator od 100 μF.
Prema TI-jevom korisničkom vodiču, glavna razlika između baterije i superkondenzatora je u tome što je u bateriji malo, pa čak i manje od određene količine napona, a postoji i superkondenzator. Dizajneri sustava moraju imati na umu da postoji značajna struja curenja, koja je ekvivalentna istosmjernom opterećenju na izlazu pojačivača.
Praćenje najveće snage (MPPT) odnosi se na najmoćniju energiju i upravljanje fotonaponskom stanicom (70 do 80%) i TEG (50%). Ostale funkcije koje baterija napaja opremu visoke energetske učinkovitosti uključuje: zaštitu od prenapona i podnapona baterije, automatsko termičko isključivanje punjive litij-ionske baterije. Točno praćenje statusa baterije još je jedna važna značajka. Ako sustav može ući u podnaponsko stanje, potrebno je također aktivirati funkciju pada struje opterećenja.
Alternativna oprema i dodatna oprema Funkcije BQ25504 i BQ25505 koje je pokrenuo Ti su slične, ali je struja mirovanja manja od 325 NA. Oba uređaja opremljena su autonomnim pogonom višenamjenskog multipleksera s autonomnim napajanjem, nakon pokretanja, što omogućuje sustavu dobivanje energije iz izvora prikupljanja energije i primarnih baterija, osiguravajući da se po potrebi osigura konstantna snaga, čak i kada kolektor nije dostupan. također rade ispravno. Ultra-niska statička struja vrlo je važna kada se sustav ne može isključiti, tako da se životni vijek baterije može produžiti.
Ako su veličina i težina problem, TI preporučuje BQ25100, koji je linearni punjač baterija manje snage, posebno prikladan za pojedinačne litij-ionske tipke. Uređaj je obložen WCSP-om od 0.9 x 1.6 mm, podržava ulazni napon do 30 V, što omogućuje preciznu kontrolu struje brzog punjenja unutar 10 mA do 250 mA.
Komplementarni moduli TPS82740A i TPS8274B buck pretvarača podržavaju izlaznu struju od 200 mA, učinkovitost pretvorbe je čak 95%, potrošena struja mirovanja je samo 360 NA, a 70 NA je 70 NA. Paket od 6.7 mm2 sadrži prekidački regulator, induktor i I/O kondenzator. Integracijom svih potrebnih pasivnih uređaja, volumen uređaja je 75% manji od istog diskretnog rješenja. TPS82740A je ultra-niskonaponska aplikacija, a TPS8274B ima značajku "DCS Control", koja je prikladna za upravljanje napajanjem, kao što je Ti, na primjer Ti. Serija MSP430.
zaključno Kako biste odabrali prijenosnu primjenu tehnologije prikupljanja energije, odabrali odgovarajući IC za upravljanje energijom, morate pažljivo razmotriti zahtjeve za napajanjem sustava, potencijal proizvodnje energije i kapacitet skladištenja energije. Na niskim krajevima raspona snage (kao što su bežični senzorski čvorovi) ili ako je energija koju generira TEG vrlo mala, izbor uređaja je ograničeniji. Ako su mala veličina i mala težina najbolji prioritet, odaberite višu integraciju, kao što je nekoliko iz ovog članka, što je možda najbolje rješenje.
Naš drugi proizvod:
